CN107835127B - 一种基于网络熵的域内路由节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网络熵的域内路由节能方法，属于互联网技术领域。减少网络能耗，建立绿色网络已经成为学术界和工业界研究的一个关键科学问题，已有节能方案均是建立在已知流量矩阵的前提下展开研究的，但是获得实时流量数据并不是一件轻而易举的事情。本发明通过关闭网络中的链路达到节能的效果。本发明首先提出了链路关键度模型和网络熵模型，然后根据链路关键度计算网络中所有链路的重要程度，最后根据链路的重要性和网络熵模型依次关闭网络中的链路。本发明方法仅仅需要输入拓扑结构即可实施，而拓扑结构相对于流量频繁变化则稳定得多，也更易于布署。

Description

一种基于网络熵的域内路由节能方法

技术领域

本发明属于互联网技术领域，涉及域内路由节能方案，具体涉及一种基于网络熵的域内路由节能方法。

背景技术

研究表明温室气体会导致全球变暖，对气候变化具有灾难性的影响，因此降低温室气体的排放量是每个国家应尽的责任和义务。低碳节能已经成为一个全球性的话题，中国作为一个发展中国家一直提倡绿色节能，因此绿色节能成为一个重要的科学问题。信息与通信技术(ICT,Information Communications Technology)中设备消耗的能耗占全球能耗的2％，并呈现逐年增加的趋势。

随着互联网规模的逐渐扩大，在互联网中部署的网络设备逐渐增加，网络能耗也随之增加，温室气体的排放量也随着增加，因此如何降低网络能耗成为一个重要的研究课题。互联网在设计之初采用了网状拓扑结构来应对网络中的突发故障和峰值流量。然而，目前互联网部署的域内路由协议采用最短路径转发报文，没有充分利用网络中的冗余链路，已有研究表明骨干网在峰值流量时链路利用率仅仅为30％，大部分时间的链路利用率不到5％，因此这为研究互联网节能机制提供了契机。

针对目前网络中存在的能耗较高的问题，学术界已经对网络节能算法做了深入的研究，根据解决该问题输入的参数可以将节能算法分为两种类型：基于流量感知的节能算法和基于拓扑感知的节能算法。基于流量感知的节能算法的输入参数为网络拓扑结构和网络中的实时流量数据，然后可以将该问题归结为整数线性规划问题或者复合整数线性规划问题，该问题可以归结为一个NP-Complete问题，然后利用启发式算法得到近似解。然而准确的实时流量数据不仅难以测定，并且变化频繁，导致这些方案无法实际部署。研究表明获取网络中的实时流量数据是一个NP-Hard难题，算法复杂度较大，不易于实际部署。基于上述的讨论，本发明主要解决如何在不需要流量矩阵的前提下，仅仅根据网络拓扑结构计算一种较优的节能方案。基于拓扑感知的节能算法的输入参数为网络拓扑结构，不需要实时流量数据，该方案的算法实现方式简单，易于实际部署。

发明内容

网络可以用一个图G＝(V,L)来表示，其中V为拓扑中的节点集合，L为边的集合。对于网络中的任意一条边e＝(u,v)∈L，用w(e)＝w(u,v)表示该边的代价，用X(e)＝X(u,v)表示该边消耗的能量。对于网络中任意两个不相同的节点u,v，sp(u,v)表示这两个节点之间的最短路径包含的边的集合。

本发明解决的问题可以描述为：给定一个网络拓扑结构G＝(V,L)，如何在保证网络性能的前提下，通过关闭链路，从而使得节能最大化。该问题可以形式化表示为：

输入：网络拓扑结构G(V,E)

输出：关闭链路的集合U

目标：

条件：

并且R≥0.5R₀，其中R代表标准网络熵,R₀代表初始标准网络熵。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于网络熵的域内路由节能方法，包括以下步骤：

步骤1：计算网络中所有链路的关键度；

链路l的关键度表示为

其中B(l)为链路介数，B_max和B_min分别代表链路介数的最大值和最小值，X_max和X_min分别代表链路能量的最大值和最小值；

链路的介数表示为：

其中：K(l,o,d)表示链路l是否在o到d的最短路径上，如果在，则该值为1，否则为0；

即：

步骤2：根据链路关键度对链路进行降序排列；

步骤3：将排序后的链路存储在队列Q中；

步骤4：计算初始标准网路熵，并且将其对应的数值存储在变量R0中；

初始标准网络熵表示为，

其中E_max和E_min分别代表网路熵的最大值和最小值，E为网络熵，表示为

其中d(i)为节点i的度；

步骤5：将关闭的链路存储在变量U中，并且初始化该变量为空，即

步骤6：将网络中所有的边存储在变量L中；

步骤7：判断集合Q是否为空，如果不成立，则执行步骤8，否则，则结束；

步骤8：从Q中取出一条链路l，将其从网络拓扑中删除，即G'＝(V,L-l)，其中V表示网络中节点的集合；

步骤9：判断网络G'是否连通，具体方法如下：

根据深度优先方法遍历网络G'中的节点，将遍历过的节点的访问标识属性标记为已访问，当遍历方法结束后，所有节点的访问标识属性都为已访问，则网络G'为连通图，否则该网络为非连通图；

步骤10：如果网络G'连通，则执行步骤11，否则执行步骤15；

步骤11：计算标准网路熵R，并且将其对应的数值存储在变量R中；

标准网络熵表示为：

步骤12：如果R≥Ω则执行步骤13，否则执行步骤15；

步骤13：将链路l从L中删除，即L←L-l；

步骤14：将链路l加入需要关闭的链路的变量中，即U←U∪l；执行步骤7；

步骤15：将链路l重新插入到网络中G'＝(V,L)；执行步骤7。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明提出了一种基于网络熵的域内路由节能方法，该方法仅仅需要输入拓扑结构即可，而拓扑结构相对于流量频繁变化则稳定得多，也更易于布署。

附图说明

图1是本发明的基于网络熵的域内路由节能方法流程示意图。

图2是本发明实施例网络拓扑结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明，详细说明本实施例的各步骤。

图2是本发明实施例网络拓扑结构示意图。该图的每条边上演示了两个数字，其中第一个数字表示该边的代价，第二个数字表示该边的能耗。

下面详细说明本实施例的各个步骤。

步骤1，计算网络中所有链路的关键度，

网络中所有节点之间的最短路径为：

a b

a c

a d

b a

b a c

b d

c a

c a b

c d

d c

d a

d b

根据上述的最短路径可以计算出网络中链路的介数为：B(a,c)＝4，B(a,b)＝4，B(c,d)＝2，B(b,d)＝2，B(a,d)＝2，B_min＝1，B_max＝4，链路关键度为I(a,c)＝1+1＝2，I(a,b)＝0+1＝1，I(c,d)＝0+0＝0，I(b,d)＝0+1/3＝1/3，I(a,d)＝0+1/9＝1/9；

步骤2：根据链路关键度的大小对链路进行升序排列，排序后的链路顺序为(c,d),(a,d),(b,d),

(a,b),(a,c)；

步骤3：将排序后的链路存储在队列Q中，此时Q＝{(c,d),(a,d),(b,d)(a,b),(a,c)}；

步骤4，计算初始标准网路熵

步骤5，将关闭的链路存储在变量U中，即

步骤6，将网络中所有的边存储在变量L中，L＝{(c,d),(a,d),(b,d)(a,b),(a,c)}；

步骤7，判断集合Q是否为空，此时集合Q不为空，执行步骤8；

步骤8，从集合Q中取出链路(c,d)，此时Q＝{(c,d),(a,d),(b,d)(a,b),(a,c)}，G'＝(V,L-(b,d))；

步骤9，判断网络G'是否连通；

步骤10，G'此时是连通图，执行步骤11；

步骤11，计算标准网路熵

步骤12，此时网络熵R＞Ω，满足条件，执行步骤13；

步骤13，将链路(c,d)从L中删除，即L＝{(a,d),(b,d)(a,b),(a,c)}；

步骤14，将链路(c,d)加入需要关闭的链路的变量中，即U＝{(c,d)}；执行步骤7；

步骤7，判断集合Q是否为空，此时集合Q不为空，执行步骤8；

步骤8，从集合Q中取出链路(a,d)，Q＝{(b,d)(a,b),(a,c)}G'＝(V,L-(b,d))；

步骤9，判断网络G'是否连通；

步骤10，G'此时是连通图，执行步骤11；

步骤11，计算标准网路熵

步骤12，此时网络熵R＜Ω，不满足条件，执行步骤15；

步骤15：将链路(a,d)重新插入到网络中G'＝(V,L)；执行步骤7；

步骤7，判断集合Q是否为空，此时集合Q不为空，执行步骤8；

步骤8，从集合Q中取出链路(b,d)，Q＝{(a,b),(a,c)}G'＝(V,L-(b,d))；

步骤9，判断网络G'是否连通；

步骤10，G'此时是连通图，执行步骤11；

步骤11，计算标准网路熵

步骤12，此时网络熵R＜Ω，不满足条件，执行步骤15；

步骤15：将链路(a,d)重新插入到网络中G'＝(V,L)；执行步骤7；

步骤7，判断集合Q是否为空，此时集合Q不为空，执行步骤8；

步骤8，从集合Q中取出链路(a,b)，Q＝{(a,c)}G'＝(V,L-(a,b))；

步骤9，判断网络G'是否连通；

步骤10，G'此时是连通图，执行步骤11；

步骤11，计算标准网路熵

步骤12，此时网络熵R＜Ω，不满足条件，执行步骤15；

步骤15：将链路(a,d)重新插入到网络中G'＝(V,L)；执行步骤7；

步骤7，判断集合Q是否为空，此时集合Q不为空，执行步骤8；

步骤8，从集合Q中取出链路(a,c)，Q＝{}G'＝(V,L-(a,c))；

步骤9，判断网络G'是否连通；

步骤10，G'此时不是连通图，执行步骤15；

步骤15：将链路(a,c)重新插入到网络中G'＝(V,L)；执行步骤7；

步骤7，判断集合Q是否为空，此时集合Q为空，则该方法结束。

Claims (2)

1.一种基于网络熵的域内路由节能方法，包括以下步骤：

步骤1：根据计算网络中所有链路的关键度的方法，计算网络中所有链路的关键度；

所述的计算网络中所有链路的关键度的方法为：

链路l的关键度表示为：

其中B(l)为链路介数，B_max和B_min分别代表链路介数的最大值和最小值，X_max和X_min分别代表链路能量的最大值和最小值；

链路的介数表示为：

其中：K(l,o,d)表示链路l是否在o到d的最短路径上，如果在，则该值为1，否则为0；

即：

步骤2：根据链路关键度对链路进行降序排列；

步骤3：将排序后的链路存储在队列Q中；

步骤4：计算初始标准网路熵，并且将其对应的数值存储在变量R₀中；

所述的计算初始标准网路熵的方法为：

初始标准网络熵表示为：

其中E_max和E_min分别代表网路熵的最大值和最小值，E为网络熵，表示为

其中d(i)为节点i的度；

步骤5：将关闭的链路存储在变量U中，并且初始化该变量为空，即

步骤6：将网络中所有的边存储在变量L中；

步骤7：判断集合Q是否为空，如果不成立，则执行步骤8，否则，则结束；

步骤8：从Q中取出一条链路l，将其从网络拓扑中删除，即G'＝(V,L-l)，其中V表示网络中节点的集合；

步骤9：根据判断网络G'是否连通的方法，判断网络G'是否连通；

步骤10：如果网络G'连通，则执行步骤11，否则执行步骤15；

步骤11：计算标准网路熵R，

标准网络熵表示为：

步骤12：如果R≥0.5R₀则执行步骤13，否则执行步骤15；

步骤13：将链路l从L中删除，即L←L-l；

步骤14：将链路l加入需要关闭的链路的变量中，即U←U∪l；执行步骤7；

步骤15：将链路l重新插入到网络中G'＝(V,L)；执行步骤7。

2.根据权利要求1所述的一种基于网络熵的域内路由节能方法，其特征在于：其步骤9所述的判断网络G'是否连通方法为：

根据深度优先方法遍历网络G'中的节点，将遍历过的节点的访问标识属性标记为已访问，当遍历方法结束后，所有节点的访问标识属性都为已访问，则网络G'为连通图，否则该网络为非连通图。

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